Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină și inginerie, obținute prin fabricație aditivă
RAPORT FINAL
Autor:Conf. dr. ing. Florin BACIU
Coordonator:Prof. dr. ing. Anton HADĂR
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
CUPRINS
1. Introducere 2
2. Tehnologii folosite 32.1 Printarea prin procesul FDM – Modelare prin Extrudare Termoplastică 3
2.2 SLA – Stereolitografie (Stereolithography) 4
2.3 DLP – Expunerea digitală a luminii (Digital Light Processing) 6
2.4 SLS – Sinterizare Laser Selectivă (Selective Laser Sintering) 8
3. Teste experimentale 11
3.1 Epruvetele printate 11
3.2 Determinări experimentale ale caracteristicilor mecanice 13
4. Rezultate experimentale și concluzii 18
4.1 Curbele caracteristice ale epruvetelor testate 18
4.2 Proprietățile mecanice şi elastice ale epruvetelor testate 27
4.3 Concluzii 30
5. Obținerea de piese prin procedee de fabricație aditivă 34
5.1 Fabricarea de piese prin procedeul FDM 34
6. Evaluarea comparativă a procedeelor FA 39
Bibliografie 42
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
1. Introducere
Fabricația aditivă (AM - Additive Manufacturing), cunoscută și ca tipărire 3D (3D
printing), a apărut în anii ‘80 și, de atunci, a fost subiectul multor cercetări și
dezvoltări tehnologice, ajungând la mai multe tehnologii de tipărire 3D (SLS, SLM,
LOM, FDM etc.). În 2012, publicația “The Economist” a descris fabricația aditivă, ca
fiind a treia revoluție industrială și am asistat la utilizarea acesteia în diferite sectoare
industriale, dar și în aplicații de prototipare a proiectelor inginerești și de creare a
unor produse personalizate pentru diferite categorii de utilizatori.
Imprimarea 3D este un proces de formare a unui obiect solid tridimensional de
orice formă, realizat printr-un proces repetitiv de adăugare a unor straturi succesive
de material, în diferite forme. Imprimarea 3D este, de asemenea, distinctă de
tehnicile de prelucrare tradiționale, care se bazează, în principal, pe eliminarea
materialelor prin metode precum: strunjirea, frezarea etc.
Imprimarea 3D este folosită în prezent în foarte multe domenii, punându-
se bazele unui nou salt tehnologic, cu implicații în toate aspectele vieții
personale, comerciale și industriale de zi cu zi.
Cunoașterea influenței parametrilor de printare asupra comportamentului
materialului printat 3D ajută la îmbunătățirea și la alegerea optimă a acestora
pentru piesele prototip sau de serie.
În continuare sunt prezentate influențele gradului și modului de umplere în
funcție de viteza de printare a unor epruvete standard, în vederea determinării
comportamentului mecanic al acestora (modul de elasticitate, limită de
curgere și rezistența la rupere).
Aceste determinări sunt necesare în vederea alegerii parametrilor optimi
pentru realizarea materialelor compozite destinate aplicațiilor din medicină și
din inginerie.
2
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
2. Tehnologii de imprimare 3DClasificarea tehnologiilor de imprimare 3D:
FDM - Modelare prin Extrudare Termoplastică (Fused Deposition
Modeling);
SLA - Stereolitografie (Stereolithography);
DLP - Expunerea digitală a luminii (Digital Light Processing);
SLS - Sinterizare Laser Selectivă (Selective Laser Sintering);
2.1 Printarea prin procesul FDM - Modelare prin Extrudare Termoplastică
Tehnologia de prototipare rapidă FDM (Fused Deposition Modeling), în
traducere Modelare prin Extrudare Termoplastică (depunere de material
topit), este cea mai utilizată tehnologie de fabricare aditivată, datorită
simplității și accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, în prototipare
dar și în aplicații de producție. Alte denumiri utilizate sunt: MEM (Melting
Extrusion Modeling), extrudare termoplastică TPE (Thermoplastic Extrusion),
FFF (Fused Filament Fabrication).
Cu ajutorul unei aplicații dedicate, de tip software, modelul 3D dorit
este feliat inițial în secțiuni transversale numite straturi (lay-ere). Tehnologia
de printare constă în trecerea unui filament din material plastic printr-un
extrudor, care îl încălzește până la punctul de topire, aplicându-l apoi uniform
(prin extrudare), strat peste strat, cu mare acuratețe, pentru a printa fizic
modelul 3D, conform fișierului CAD.
Capul (extrudorul) este încălzit pentru a topi filamentul plastic,
deplasându-se atât pe orizontală, cât și pe verticală, sub coordonarea unui
mecanism de comandă numerică, controlat direct de aplicația CAM a
imprimantei. În deplasare, capul depune un șir subțire de plastic extrudat,
care, la răcire se întărește imediat, lipindu-se de stratul precedent, pentru a
forma modelul 3D dorit.
3
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 1 Principiul tehnologic FDM și modelul de imprimantă[1] folosit
Pentru a preveni deformarea pieselor, cauzată de răcirea bruscă a
plasticului, unele modele profesionale de printere 3D includ, din construcție, o
cameră închisă, încălzită la temperatură ridicată. Pentru geometrii complexe
sau pentru modele în consolă, tehnologia FDM necesită printarea cu material
suport, care, va trebui ulterior, îndepărtat manual. Principiul tehnologic și
modelul de imprimantă folosit este prezentat în figura 1.
Materiale utilizate:ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic acid), PVA
(solubil), PC (policarbonat), polietilena HDPE, polipropilena, elastomer,
polyphenylsulfone (PPSU) și ULTEM Polyphenylsulfone (PPSF), poliamida,
ceara de turnare.
Aplicații FDM/MEM:Piese și subansamble rezistente pentru testare funcțională, design
conceptual, modele de prezentare și marketing, piese de detaliu pentru
aplicații alimentare sau medicale, subansamble din plastic pentru aplicații la
temperaturi înalte, producții de serie foarte mică, forme de turnare etc.
Prototiparea matricelor (schele structurale) pentru aplicații medicale din
ingineria țesuturilor, prototipare rapidă a pieselor și sculelor de mici
dimensiuni.
2.2 SLA - Stereolitografie (Stereolithography)
4
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Stereolitografia (SLA sau SL) este o tehnologie de prototipare rapidă,
utilizată pe scară largă în mediul industrial, pentru realizarea matrițelor,
modelelor și chiar a componentelor funcționale. Cunoscută și sub numele de
foto-solidificare sau fabricare optică, stereolitografia implică utilizarea unui
fascicul laser cu lumină ultravioletă pentru solidificarea unei rășini
fotopolimerice lichide, aflată în cuva de construcție a imprimantei. Sub
acțiunea luminii laser ultraviolete, această rășină curabilă (sensibilă la lumina
ultravioletă) se solidifică în straturi succesive, obținându-se astfel modelul
solid 3D. Principiul tehnologic al unei astfel de imprimante este prezentat în
figura 2.
Modelul 3D dorit este feliat inițial în secțiuni transversale, pe care
fasciculul laser le trasează pe suprafața rașinii lichide. Expunerea la lumina
laser ultravioletă solidifică modelul trasat pe rășina lichidă, rezultând un strat
solid construit (printat 3D), care se adaugă la stratul precedent construit.
După finalizarea construcției, modelul 3D obținut este imersat într-o
baie chimică separată, pentru îndepărtarea excesului de rășină, după care
este tratat într-un cuptor cu radiații ultraviolete pentru întărirea finală.
Fig. 2 Principiul tehnologic SLA
5
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Pentru printarea unor geometrii complexe, stereolitografia necesită
crearea unor structuri de sprijin pentru susținerea geometriei. Aceste structuri
sunt generate automat în timpul pregătirii 3D pe calculator, de aplicația
software a imprimantei 3D. Ulterior finalizării construcției, suporturile
vor trebui îndepărtate manual. Rășina rămasă în cuva de construcție poate
fi reutilizată la printările ulterioare.
Tehnologia aplicată este destul de scumpă, lucru care duce la costuri
destul de mari pentru imprimantele de tip SLA (pornind de la 40000-50000
EUR).
Materiale utilizate: Rășini lichide foto-sensibile, materiale ceramice (recent dezvoltate).
Avantaje tehnologie SLA:Prototiparea de piese de geometrii complexe și extrem de detaliate,
suprafețe printate foarte fine și precise, mărimi mari de construcție a pieselor,
piesele printate pot fi utilizate ca matriță master pentru industriile de turnare
prin injecție (injection molding), termoformare, turnare metale, rezistență la
temperaturi înalte a pieselor fabricate.
Dezavantaje tehnologie SLA:Rezistența medie la prelucrări mecanice, nu rezistă în timp, expunerea
lungă la soare deteriorează piesele care devin fragile și casante, necesită
operații deranjante de post-procesare (cu substanțe chimice posibil
periculoase).
Cost mare al imprimantei, suprafața nu este extrem de finisată, detaliile
nu sunt extrem de fine, prototipuri poroase (unele). Rășinile lichide pot fi
toxice, ventilație obligatorie.
Aplicații SLA: Piese și componente extrem de detaliate, modele finisate pentru
prezentări de marketing, testare fizică a formei, modele de producție rapidă a
sculelor (rapid tooling), aplicații rezistente la temperaturi înalte, matrițe master
de turnare.
2.3 DLP - Expunerea digitală a luminii (Digital Light Processing)
6
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Tehnologia de printare DLP (Digital Light Processing) reprezintă un
proces de fabricare aditivă bazat pe utilizarea luminii UV, pentru solidificarea
unor rășini polimerice lichide. Dezvoltată de Texas Instruments, tehnologia
DLP are ca element principal cipul DMD (Digital Micromirror Device) - o
matrice de micro-oglinzi, folosite pentru modularea spațială rapidă a luminii.
Inițial, modelul 3D CAD este convertit de aplicația software a
imprimantei 3D în secțiuni transversale (felii) ale obiectului, apoi, informațiile
sunt trimise către imprimantă și către cipul DMD.
Pentru fiecare secțiune transversală a modelului 3D CAD, lumina UV
emisă de un proiector este modulată și proiectată prin intermediul cipului pe
suprafața rășinii polimerice, aflată în cuva de construcție. Fiecare micro-
oglindă individuală a cipului DMD proiectează pixeli din secțiunea
transversală a modelului 3D. Sub acțiunea luminii UV, rășina lichidă
fotoreactivă (sensibilă la lumina ultravioletă) se solidifică în straturi succesive.
Principiul tehnologic al unei astfel de imprimante este prezentat în figura 3.
Fig. 3 Principiul tehnologic DLP
Deoarece, întreaga secțiune transversală este proiectată într-o singură
expunere, viteza de construcție a unui strat (secțiuni) este constantă,
indiferent de complexitatea geometriei. Indiferent că se printează o piesă
simplă sau simultan 10 piese complexe, viteza de printare rămâne constantă.
Obiectele 3D de geometrii mai complexe sunt printate cu ajutorul
materialelor suport, care sunt ulterior îndepărtate. Rășina rămasă în cuva de
7
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare. Anumite materiale de
printare pot necesita procese ulterioare de întărire în cuptoare UV.
Costurile tehnologiei DLP sunt superioare față de FDM și pornesc de la
15000-20000 EUR pentru imprimante cu volume mici de construcție.
Materiale utilizate: Rășini, fotopolimeri, rășini transparente, polimeri pe bază de ceară.
Avantaje tehnologie DLP:Suprafețe printate fine și precise (utilizare în industria bijuteriilor,
tehnica dentară, electronică), prototipuri destul de rezistente pentru
prelucrare, gama diversă de rășini, inclusiv materiale bio-medicale (certificate
pentru utilizare în domeniul medical) și rășini transparente (prototipuri în
industria ambalajelor), imprimante stabile cu puține părți în mișcare.
Tehnologia permite prototiparea pieselor de geometrii complexe și
detaliate, viteze mari de printare pentru geometrii complexe și printarea
simultană a mai multor piese (productivitate mare).
Piesele printate pot fi utilizate ca matrițe master pentru industriile de
turnare prin injecție (injection molding), termoformare, turnare metale.
Dezavantaje tehnologie DLP:Materiale de construcție mai scumpe, preț imprimante mai mare
(pentru volume mari), necesită operații de post-procesare (întărire UV,
îndepărtare material suport), necesită manipularea rășinilor (deranj în mediul
office).
Aplicații tehnologie DLP:Prototipuri rezistente pentru testare funcțională, prototipuri și modele
fine, precise (bijuterii, modele dentare, modele electronice), prototipuri cu
geometrii complexe, fabricare serii mici de modele în medicină (proteze
auditive, restaurări dentare, implanturi medicale), prototipuri și modele în
media (animație, cinema etc.), modele de turnare bijuterii, scule și unelte,
piese și componente în industria auto și aerospațială.
2.4 SLS - Sinterizare Laser Selectivă (Selective Laser Sintering)
Tehnologia de prototipare rapidă SLS (Selective Laser Sintering),
tradusă prin Sinterizare Laser Selectivă, a fost patentată la sfârșitul anilor
8
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
1980 și este apropiată de SLA. Pe lângă denumirea SLS se folosește pe
scară largă și denumirea generică LS (Laser Sintering) sau Sinterizare Laser.
Tehnologia SLS implică folosirea unui fascicul laser de mare putere
(ex. un laser CO2) pentru topirea (sinterizarea) unor pulberi în straturi
succesive, obținându-se astfel modelul 3D dorit.
Principiul tehnologic al unei asemenea imprimante este prezentat în
figura 4.
Fig. 4 Principiul tehnologic SLS
Modelul 3D dorit este convertit inițial în secțiuni transversale (felii) ale
obiectului, trimise apoi imprimantei.
Pe baza informațiilor primite, fasciculul mobil al laserului topește
(sinterizează) selectiv stratul de pulbere aflat pe platforma de construcție din
interiorul cuvei, conform fiecărei secțiuni transversale.
După finalizarea secțiunii, platforma pe care sunt construite modelele
3D este coborâtă înăuntrul cuvei, cât să poată fi realizată următoarea
secțiune transversală. Se aplică un nou strat de pulbere, care este apoi
9
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
uniformizată, după care procesul se repetă până la finalizarea întregului
model 3D, conform fișierului CAD.
În timpul printării, modelul 3D este în permanență încadrat în pulberea
de construcție, ceea ce permite printarea unor geometrii extrem de complexe,
fără material suport.
Pulberea rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările
ulterioare.
Obiectele 3D obținute prin sinterizarea laser sunt poroase și nu
necesită finisare ulterioară, decât dacă se dorește întărirea acestora prin
infiltrare.
Tehnologia sinterizării laser necesită componente scumpe, ceea ce
duce la costuri ridicate ale imprimantelor de acest tip (peste 90000 EUR).
Materiale utilizate:Pulberi (termo)plastice (nylon, polyamida, polystyren, elastomeri,
compozite), pulberi metalice (oțel, titan, aliaje), pulberi ceramice, pulberi din
sticlă.
Avantaje tehnologie SLS/LS:Acuratețe bună a modelului 3D, paleta largă de materiale, piese
fabricate rezistente, posibilitatea construcției unor geometrii extrem de
complexe, fără material suport, flexibilitate a modelelor printate (pot fi utilizate
ca modele finale sau ca modele de testare), nu necesită post-procesare
(unele materiale), piese fabricate rezistente la temperaturi înalte.
Nu necesită operații de post procesare (întărire, îndepărtare suport
etc.), dacă nu se dorește întărirea mecanică.
Dezavantaje tehnologie SLS/LS:Tehnologie scumpă, care se traduce în cost mare și în dimensiuni mai
mari ale imprimantei, materiale de printare scumpe, suprafață mediu finisată
(în comparație cu SLA), detalii medii ca finețe (în comparație cu SLA),
prototipuri poroase, care pot necesita operații adiționale de întărire. Timp de
răcire mare după printare pentru obiecte mari.
Aplicații SLS/LS:
10
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Piese rezistente pentru testare funcțională, testare la temperaturi
înalte, piese cu balamale și cu subansamble de încastrare, producții de serie
mică, modele de turnare.
11
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
3. Teste experimentale
3.1 Epruvetele printate
Epruvetele printate sunt umplute (infill) cu două tipuri de forme, diagonal și
hexagonal, prezentate în figura 5.
Fig. 5 Moduri de umplere (infill) al epruvetelor sau pieselor printate 3D
În vederea determinării influenței gradului de umplere, a modului de
umplere și a vitezei de printare au fost printate 78 epruvete din PLA, câte
două pentru fiecare modificare de parametru. Aceste epruvete au fost
codificate conform tabelului de mai jos. Primele 46 de epruvete au fost
prezentate în raportul al doilea, iar celelalte 32 au fost testate ulterior, fiind
prezentate în acest raport.
Tabel 1. Tabel cu modul de codificare a epruvetelor
CodulGradul de
umplere
Modul de
umplere
Viteza de
printare
100G40(_1,_2) 100 % diagonal 40 mm/s
100G60(_1,_2) 100 % diagonal 60 mm/s
100G80(_1,_2) 100 % diagonal 80 mm/s
100G100(_1,_2
)
100 % diagonal 100 mm/s
80G40(_1,_2) 80 % diagonal 40 mm/s
80G60(_1,_2) 80 % diagonal 60 mm/s
80G80(_1,_2) 80 % diagonal 80 mm/s
80G100(_1,_2) 80 % diagonal 100 mm/s
12
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
60G40(_1,_2) 60 % diagonal 40 mm/s
60G60(_1,_2) 60 % diagonal 60 mm/s
60G80(_1,_2) 60 % diagonal 80 mm/s
60G100(_1,_2) 60 % diagonal 100 mm/s
40G40(_1,_2) 40 % diagonal 40 mm/s
40G60(_1,_2) 40 % diagonal 60 mm/s
40G80(_1,_2) 40 % diagonal 80 mm/s
40G100(_1,_2) 40 % diagonal 100 mm/s
20G40(_1,_2) 20 % diagonal 40 mm/s
20G60(_1,_2) 20 % diagonal 60 mm/s
20G80(_1,_2) 20 % diagonal 80 mm/s
20G100(_1,_2) 20 % diagonal 100 mm/s
80F40(_1,_2) 80 % hexagonal 40 mm/s
80F60(_1,_2) 80 % hexagonal 60 mm/s
80F80(_1,_2) 80 % hexagonal 80 mm/s
80F100(_1,_2) 80 % hexagonal 100 mm/s
60F40(_1,_2) 60 % hexagonal 40 mm/s
60F60(_1,_2) 60 % hexagonal 60 mm/s
60F80(_1,_2) 60 % hexagonal 80 mm/s
60F100(_1,_2) 60 % hexagonal 100 mm/s
40F40(_1,_2) 40 % hexagonal 40 mm/s
40F60(_1,_2) 40 % hexagonal 60 mm/s
40F80(_1,_2) 40 % hexagonal 80 mm/s
40F100(_1,_2) 40 % hexagonal 100 mm/s
20F40(_1,_2) 20 % hexagonal 40 mm/s
20F60(_1,_2) 20 % hexagonal 60 mm/s
20F80(_1,_2) 20 % hexagonal 80 mm/s
20F100(_1,_2) 20 % hexagonal 100 mm/s
13
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
3.2 Determinări experimentale ale caracteristicilor mecanice
O serie de încercări mecanice, relativ simple, sunt folosite pentru
evaluarea proprietăților materialelor. Rezultatele sunt utilizate atât în
proiectarea inginerească, cât și ca bază în compararea și alegerea
materialelor.
Încercările la tracțiune se efectueză pentru determinarea constantelor
elastice şi mecanice ale materialelor.
Se determină modulul de elasticitate, E, ca o măsură a rigidității, limita
de curgere, σc , care definește rezistența la apariția deformațiilor plastice și
rezistența la tracțiune, σr, cea mai mare tensiune convențională care poate
exista în material.
Coeficientul lui Poisson, ν , poate fi calculat dacă se măsoară și
deformația specifică transversală. Alungirea la rupere caracterizează
ductilitatea materialului, capacitatea de a se deforma fără să se rupă.
Fig. 6 Epruveta de tracțiune [2]
Pentru stabilirea relației între tensiunile normale σ și alungirile specifice
ε, se realizează încercarea la tracțiune (la materiale metalice, conform SR EN
10002-1). Se utilizează o epruvetă având forma din figura 6, la care se
cunoaște aria A0 a secțiunii transversale inițiale în porțiunea centrală calibrată
și pe care se marchează două repere la distanţa L0.
Epruveta se obține, în general, prin prelucrarea unei probe dintr-un
semifabricat turnat. Produsele cu secțiuni constante (profile, bare, sârme
etc.), precum și epruvetele brute turnate (fonte, aliaje neferoase) pot fi supuse
încercării fără a fi prelucrate. Secțiunea transversală a epruvetelor poate fi
14
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
circulară, pătrată, dreptunghiulară, inelară, sau, în cazuri speciale, de alte
forme.
Epruveta se montează într-o mașină de încercat la tracțiune, cu
ajutorul căreia se aplică, pe direcția axei longitudinale, o forță de întindere F,
care, în timpul încercării creşte continuu, fără șoc sau vibrații, până se
produce ruperea acesteia. Concomitent, se măsoară distanţa între repere L,
respectiv alungirea (extensia) epruvetei, ΔL = L − Lo, cu ajutorul unui
extensometru.
Dacă se reprezintă grafic forța de întindere F în funcție de alungirea
ΔL, se obține o diagramă care depinde de dimensiunile epruvetei, deci, care
nu caracterizează materialului de încercat.
Fig. 7 Curba caracteristica a materialului [2]
Dacă se reprezintă grafic dependența între tensiunea normală σ=FA0
şi
alungirea specifică ε=∆ LL0
, atunci, se obţine curba caracteristică a materialului
(fig. 7), denumită și diagrama încercării la tracțiune. Aceasta este o curbă
convențională, deoarece, tensiunea se calculează pe baza ariei secțiunii
inițiale Ao a epruvetei, iar alungirea specifică, pe baza lungimii inițiale între
repere Lo, mărimi mai ușor de măsurat.
Pe curba din figura 7, care corespunde unui oțel cu conținut redus de
carbon, s-au marcat câteva puncte importante, ale căror ordonate definesc
unele caracteristici mecanice ale materialului.
15
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
a) Limita de proporționalitate σp - este valoarea tensiunii până la care
relația între σ şi ε este liniară (ordonata punctului A). Ecuația porțiunii OA a
curbei caracteristice se poate scrie sub forma legii lui Hooke, σ = E ε, a cărei
pantă E este modulul de elasticitate longitudinal (Th. Young, 1807).
b) Limita de elasticitate σe - este valoarea tensiunii până la care
materialul se comportă elastic (ordonata punctului B), deci, până la care
deformațiile sunt reversibile. La unele materiale se definește o limită de
elasticitate convențională σ0,01. Aceasta reprezintă valoarea tensiunii la care
apar local primele deformații plastice, căreia, îi corespunde, după
descărcarea epruvetei, o alungire specifică remanentă de 0,01% (100 μm/m).
Pentru majoritatea materialelor utilizate în construcția de mașini, limita
de elasticitate este foarte apropiată de limita de proporționalitate, deși, cele
două mărimi sunt definite diferit. De asemenea, unele materiale pot avea o
comportare elastică (revin după descărcare la dimensiunile inițiale), însă
neliniară. De exemplu, particulele filamentare denumite whiskers pot avea
deformații specifice elastice de până la 2%.
c) Limita de curgere aparentă σc - este valoarea tensiunii la care
epruveta începe să se deformeze apreciabil sub sarcină constantă (ordonata
punctului C), marcând apariția deformațiilor plastice ireversibile. Porțiunea CC'
a curbei caracteristice se numește palier de curgere. Se disting limita de
curgere superioară, σcH, definită de valoarea tensiunii în momentul când se
observă prima scădere a forței aplicate epruvetei și limita de curgere
inferioară, σcL, valoarea cea mai mică a tensiunii în timpul curgerii plastice (C.
Bach - 1904), neglijând în acest timp eventualele fenomene tranzitorii.
Fig. 8 Material fără limita de curgere [2]
16
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
La unele materiale, palierul de curgere nu există, curba caracteristică
având alura din figura 8. Se definește o limită de curgere convențională σ0,2.
Aceasta reprezintă valoarea tensiunii căreia îi corespunde, după descărcarea
epruvetei, o alungire specifică remanentă de 0,2% (2 mm/m).
d) Rezistența la tracțiune σr , denumită și rezistență la rupere, este
tensiunea corespunzătoare forței maxime înregistrate în cursul încercării,
după depășirea limitei de curgere (ordonata punctului D din fig. 7).
Limitele și rezistențele definite pe baza curbei caracteristice
convenționale sunt constante de material, deci, sunt valori fixe ale tensiunii
normale. Pentru a le distinge de tensiunile de întindere variabile σ, acestea se
notează uneori diferit. În încercarea materialelor se folosesc următoarele
notații:
- rezistența la tracțiune σr = Rm;
- limita de curgere σc = Re;
- limita de curgere convențională σ0,2 = Rp0,2 (conform SR EN 10002-1).
Punctul E marchează ruperea epruvetei. Aparent, ruperea se produce
la o valoare a tensiunii inferioară rezistenţei la tracţiune. Aceasta are loc din
cauza faptului că, se trasează o curbă caracteristică convenţională, calculând
tensiunea prin împărţirea forţei F la aria iniţială A0 a secţiunii transversale.
Încercările mecanice pentru determinarea curbelor caracteristice,
prezentate în acest raport, au fost efectuate pe mașina universală de încercat
INSTRON 8872 (fig. 9).
17
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 9 Mașina de încercat INSTRON 8872
Caracteristicile mașinii sunt: forța maximă 25 kN în regim static sşi ±
25kN în regim dinamic.
Teste posibile:
- tracțiune mediu ambiant;
- tracțiune temperaturi scăzute și ridicate(între -70oC și +120oC);
- compresiune;
- încovoiere in trei puncte;
- oboseală;
- alte teste neconvenționale (piese finite cu gabarit mare - maxim 1m
înălțime și lățime).
Pentru a determina comportamentul mecanic al materialelor
considerate s-au efectuat teste mecanice distructive și s-a folosit un
extensometru, în vederea măsurării deplasărilor (fig. 10).
18
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 10 Extensometrul prins de epruvetă în timpul testării
19
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
4. Rezultate experimentale și concluzii
4.1 Curbele caracteristice ale epruvetelor testate
În figurile 11 - 26 sunt prezentate curbele caracteristice ale epruvetelor
testate, câte două pentru fiecare set, pentru ultimele 32 de epruvete testate.
Informaţii referitoare la primele 46 de epruvete testate se regăsesc în referatul
al doilea.
Fig. 11 Curba caracteristică a epruvetelor testate (40%, 40mm/s)
Fig. 12 Curba caracteristică a epruvetelor testate (40%, 60mm/s)
20
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 13 Curba caracteristică a epruvetelor testate (40%,80mm/s)
Fig. 14 Curba caracteristică a epruvetelor testate (40%,100mm/s)
21
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 15 Curba caracteristică a epruvetelor testate (20%,40mm/s)
Fig. 16 Curba caracteristică a epruvetelor testate (20%,60mm/s)
22
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 17 Curba caracteristică a epruvetelor testate (20%, 80mm/s)
Fig. 18 Curba caracteristică a epruvetelor testate (20%,100mm/s)
23
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 19 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (40%, 40mm/s)
Fig. 20 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (40%, 60mm/s)
24
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 21 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (40%, 80mm/s)
Fig. 22 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (40%, 100mm/s)
25
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 23 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (20%, 40mm/s)
Fig. 24 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (20%, 60mm/s)
26
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 25 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (20%, 80mm/s)
Fig. 26 Curba caracteristică a epruvetelor cu umplere hexagonală (20%, 100mm/s)
27
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
4.2 Proprietățile mecanice şi elastice ale epruvetelor testate
În urma testelor realizate s-au determinat proprietățile mecanice și
elastice, modulul de elasticitate longitudinal, limita de curgere și rezistenţa la
rupere a materialelor (PLA).
În tabelul 2 sunt prezentate atât valorile modulului de elasticitate
longitudinal - pentru fiecare epruvetă în parte, cât şi valoarea medie a
acestuia.
Tabel 2. Valorile modulului de elasticitate longitudinal
Probă
Modulul de elasticitate
longitudinal [MPa]
Media modulului de elasticitate longitudinal
[MPa]
100G40_1 2031,37 2044,465100G40_2 2057,56100G60_1 2123,45 2130,245100G60_2 2137,04100G80_1 2094,00 2105,385100G80_2 2116,77
100G100_1 2076,8 2046,425100G100_2 2016,0580G40_1 1522,94 1540,2780G40_2 1557,6080G60_1 1522,68 1533,02580G60_2 1543,3780G80_1 1608,51 1580,8380G80_2 1553,15
80G100_1 1599,18 1592,01580G100_2 1584,8560G40_1 1280,77 1270,7560G40_2 1260,7360G60_1 1283,24 1278,3460G60_2 1273,4460G80_1 1240,71 1236,2960G80_2 1231,87
60G100_1 1303,56 1278,83560G100_2 1254,1140G40_1 1070,85 1069,00540G40_2 1067,1640G60_1 1087,19 1088,2240G60_2 1089,2540G80_1 1041,41 1046,97540G80_2 1052,54
40G100_1 1101,23 1091,240G100_2 1081,17
20G40_1 1080,46 1059,73520G40_2 1039,0120G60_1 1033,27 1034,40520G60_2 1035,5420G80_1 1061,13 1060,120G80_2 1059,07
20G100_1 1068,86 1066,21520G100_2 1063,57
Probă
Modulul de elasticitate
longitudinal [MPa]
Media modulului de elasticitate longitudinal
[MPa]
80F40_1 1385,47 1421,43580F40_2 1457,4080F60_1 1449,87 1428,1280F60_2 1406,3780F80_1 1396,35 1401,7780F80_2 1407,19
80F100_1 1408,43 1407,54580F100_2 1406,6660F40_1 1258,73 1228,6360F40_2 1198,5360F60_1 1177,11 1186,8260F60_2 1196,5360F80_1 1200,87 1183,60560F80_2 1166,34
60F100_1 1232,06 1241,1460F100_2 1250,2240F40_1 1120,65 1127,78540F40_2 1134,9240F60_1 1060,15 1049,32540F60_2 1038,5040F80_1 1096,94 1106,3240F80_2 1115,70
40F100_1 1096,93 1085,3640F100_2 1073,7920F40_1 1016,60 1023,6920F40_2 1030,7820F60_1 1010,31 1005,22520F60_2 1000,1420F80_1 1002,09 1001,80520F80_2 1001,52
20F100_1 1010,36 1014,4920F100_2 1018,62
28
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
În tabelul 3 sunt prezentate atât valorile limitei de curgere ale materialelor
investigate - pentru fiecare epruvetă în parte, cât şi valoarea medie a acesteia.
Tabel 3. Valorile limitei de curgere
ProbăLimită de curgere [MPa]
Media limitei de curgere
[MPa]100G40_1 25,47 25,865100G40_2 26,26100G60_1 27,28 27,71100G60_2 28,14100G80_1 27,06 27,55100G80_2 28,04
100G100_1 26,42 26,155100G100_2 25,8980G40_1 18,07 18,01580G40_2 17,9680G60_1 18,12 18,35580G60_2 18,5980G80_1 19,20 18,87580G80_2 18,55
80G100_1 19,37 19,4180G100_2 19,4560G40_1 15,81 15,7860G40_2 15,7560G60_1 15,88 15,86560G60_2 15,8560G80_1 15,72 15,6360G80_2 15,54
60G100_1 16,00 15,7860G100_2 15,5640G40_1 13,12 13,3140G40_2 13,540G60_1 13,27 13,3440G60_2 13,4140G80_1 12,85 12,86540G80_2 12,88
40G100_1 13,53 13,4340G100_2 13,3320G40_1 13,68 13,30520G40_2 12,9320G60_1 13,21 13,22520G60_2 13,2420G80_1 13,45 13,59520G80_2 13,74
20G100_1 13,7 13,69520G100_2 13,69
ProbăLimită de curgere [MPa]
Media limitei de curgere
[MPa]80F40_1 16,99 17,2680F40_2 17,5380F60_1 17,67 17,37580F60_2 17,0880F80_1 17,21 17,3680F80_2 17,51
80F100_1 17,63 17,60580F100_2 17,5860F40_1 15,68 15,3360F40_2 14,9860F60_1 14,64 14,82560F60_2 15,0160F80_1 15,17 14,9760F80_2 14,77
60F100_1 15,79 15,7760F100_2 15,7540F40_1 14,39 14,3140F40_2 14,2340F60_1 12,75 12,60540F60_2 12,4640F80_1 13,94 14,0740F80_2 14,2
40F100_1 13,92 13,87540F100_2 13,8320F40_1 13,00 13,00520F40_2 13,0120F60_1 12,95 12,8720F60_2 12,7920F80_1 12,62 12,7420F80_2 12,86
20F100_1 12,66 12,7320F100_2 12,8
29
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
30
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
În tabelul 4 sunt prezentate atât valorile rezistenţei la rupere ale materialelor
investigate - pentru fiecare epruvetă în parte, cât şi valoarea medie a acesteia.
Tabel 4. Valorile rezistenţei la rupere
Probă
Limită de rupere [MPa]
Media limitei de
rupere[MPa]
100G40_1 27,11 27,505100G40_2 27,90100G60_1 28,71 29,045100G60_2 29,38100G80_1 28,60 28,905100G80_2 29,21
100G100_1 28,01 27,78100G100_2 27,5580G40_1 20,21 20,0380G40_2 19,8580G60_1 19,98 20,2880G60_2 20,5880G80_1 21,31 2180G80_2 20,69
80G100_1 21,55 21,6980G100_2 21,8360G40_1 17,31 17,260G40_2 17,0960G60_1 17,27 17,27560G60_2 17,2860G80_1 17,11 17,0060G80_2 16,89
60G100_1 17,50 17,3060G100_2 17,1040G40_1 13,68 13,88540G40_2 14,0940G60_1 13,85 13,9240G60_2 13,9940G80_1 13,51 13,53540G80_2 13,56
40G100_1 14,17 14,0340G100_2 13,8920G40_1 14,25 13,93520G40_2 13,6220G60_1 13,98 13,96520G60_2 13,9520G80_1 14,17 14,2520G80_2 14,33
20G100_1 14,34 14,32520G100_2 14,31
Probă
Limită de rupere [MPa]
Media limitei de
rupere[MPa]
80F40_1 17,98 18,19580F40_2 18,4180F60_1 18,53 18,1980F60_2 17,8580F80_1 18,11 18,2580F80_2 18,39
80F100_1 18,57 18,5480F100_2 18,5160F40_1 16,48 16,1660F40_2 15,8460F60_1 15,58 15,75560F60_2 15,9360F80_1 16,08 15,90560F80_2 15,73
60F100_1 16,75 16,69560F100_2 16,6440F40_1 15,24 15,16540F40_2 15,0940F60_1 13,95 13,8440F60_2 13,7340F80_1 14,90 15,0240F80_2 15,14
40F100_1 14,82 14,78540F100_2 14,7520F40_1 13,43 13,40520F40_2 13,3820F60_1 13,38 13,34520F60_2 13,3120F80_1 12,90 13,07520F80_2 13,25
20F100_1 13,09 13,88520F100_2 13,22
31
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
32
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
4.3 Concluzii
În figura 27 este prezentată variația modulului de elasticitate mediu, pentru
fiecare set de epruvete în parte, fiind incluse şi rezultatele din raportul precedent [3].
Se constată că, odată cu scăderea gradului de umplere are loc o scădere a
modulului de elasticitate longitudinal al materialelor.
Fig. 27 Variația valorii medii a modulului de elasticitate longitudinal
Fig. 28 Variația valorii medii a limitei de curgere
33
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Figurile 28 și 29 prezintă modul de variație a limitei de curgere și respectiv a
rezistenţei la rupere, pentru fiecare set de epruvete testate.
Se poate observa că, scăderea gradului de umplere duce la scăderea limitei
de curgere şi a rezistenţei la rupere a materialelor analizate.
Fig. 29 Variația valorii medii a rezistenţei la rupere
Din analiza diagramelor prezentate anterior, pot fi desprinse următoarele
concluzii:
1. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 100%, valorile maxime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse atunci când procesul de printare se desfăşoară cu
viteza de 60 mm/s;
2. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 100%, valorile minime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse atunci când viteza de printare este de 40 mm/s;
3. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, valorile maxime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse atunci când procesul de printare are loc cu viteza de
100 mm/s;
34
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
4. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, valorile minime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse la viteza de printare de 40 mm/s;
5. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 60%, valorile maxime ale
modulului de elasticitate longitudinal şi limitei de curgere sunt atinse atunci
când procesul de printare are loc cu viteza 60 mm/s, în timp ce, valorile
maxime ale rezistenţei la rupere se ating când se printează cu 100 mm/s;
6. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 60%, valorile minime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse când viteza de printare este de 80 mm/s;
7. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 40%, valorile maxime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere se ating în situaţia în care, procesul de printare se derulează cu
viteza de 100 mm/s;
8. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 40%, valorile minime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere sunt atinse la viteza de printare de 80 mm/s;
9. Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 20%, valorile maxime ale
modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și rezistenţei la
rupere se ating când viteza de printare este de 100 mm/s;
10.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 20%, valorile minime ale
modulului de elasticitate longitudinal şi limitei de curgere sunt atinse atunci
când se printează cu viteza de 60 mm/s, iar cele ale rezistenţei la rupere
când se printează cu 40 mm/s;
11.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, hexagonală, valoarea
maximă a modulului de elasticitate longitudinal este atinsă atunci când se
printează cu viteza de 60 mm/s, în timp ce, valorile maxime ale limitei de
curgere și rezistenţei la rupere se obțin la o viteză de 100 mm/s;
12.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, hexagonală, valoarea
minimă a modulului de elasticitate longitudinal este atinsă atunci când se
printează cu viteza de 80 mm/s;
13.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, hexagonală, valoarea
minimă a limitei de curgere este atinsă atunci când se printează cu viteza
de 40 mm/s;
35
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
14.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 80%, hexagonală, valoarea
minimă a rezistenţei la rupere este atinsă atunci când se printează cu
viteza de 60 mm/s;
15.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 60%, hexagonală, valorile
maxime ale modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și
rezistenţei la rupere se ating când viteza de printare este de 100 mm/s;
16.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 60%, hexagonală, valoarea
minimă a modulului de elasticitate longitudinal este obținută atunci când se
printează cu viteza de 80 mm/s, iar pentru limita de curgere și pentru
rezistenţă la rupere aceste valori minime apar când se printează cu viteza
de 60 mm/s;
17.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 40%, hexagonală, valorile
maxime ale modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și
rezistenţei la rupere se ating când viteza de printare este de 40 mm/s;
18.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 40%, hexagonală, valorile
minime ale modulului de elasticitate longitudinal, limitei de curgere și
rezistenţei la rupere sunt atinse când viteza de printare este de 60 mm/s;
19.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 20%, hexagonală, valorile
maxime ale modulului de elasticitate longitudinal şi limitei de curgere sunt
atinse la o viteză de printare de 40 mm/s, însă valoarea maximă a
rezistenţei la rupere se atinge când se printează cu 100 mm/s;
20.Pentru epruvetele cu gradul de umplere de 20%, hexagonală, valorile
minime ale modulului de elasticitate longitudinal şi rezistenţei la rupere se
ating atunci când se printează cu viteza de 80 mm/s, iar valoarea minimă
a limitei de curgere este atinsă atunci când viteza este de 100 mm/s.
În funcție de destinaţia piesei printate, pot fi aleşi parametrii de printare optimi
(gradul și modul de umplere, viteza), în vederea utilizării cât mai eficiente a
materialului.
36
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
5. Obținerea de piese prin procedee de fabricație aditivă
5.1 Fabricarea de piese prin procedeul FDM
Modelul virtual tridimensional al unui șurub pentru aplicații medicale (modelat
în CATIA V5) este prezentat în figura 30, în mai multe vederi izometrice.
Caracteristici generale ale șurubului: diametrul - 9 mm, lungimea - 25 mm,
pasul - 1,8-2 mm, adâncimea filetului - 0,5-2 mm.
Fig. 30 Modelul virtual al unui șurub de interferență
Modelul 3D al șurubului a fost exportat din CATIA V5 în formatul stl și a fost
importat în software-ul mașinii FDM Dimension.
În prima etapă s-a verificat corectitudinea fișierului stl, după care, s-a realizat
orientarea șurubului în spațiul de lucru al mașinii (fig. 31).
37
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 31 Poziționarea modelului stl al șurubului în spaţiul de lucru al mașinii
Celelalte etape parcurse pentru fabricarea șurubului:
- secţionarea fişierului stl al șurubului (obţinerea fişierelor ssl, fig. 32);
- generarea structurilor suport necesare pentru construirea prototipului (fig. 33);
- generarea traseelor duzelor de extrudare (obținerea fișierului de tip sml -
Stratasys Machine Language, care este transmis mașinii FDM, fig. 34, 35).
Fig. 32 Secționarea modelului stl al șurubului
38
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 33 Generarea structurilor suport necesare pentru fabricarea șurubului
Fig. 34 Traseele de depunere a materialului pentru șurub și pentru structura suport,
la nivelul z=3.5560mm
39
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Fig. 35 Traseele de depunere a materialului pentru șurub și pentru structura suport,
la nivelul z=6.6040mm
Fig. 36 Estimarea volumului de material și a timpului de construire
Fig. 37 Model șurub de interferență
Timpul de construire a şurubului este de 14 minute, volumul de material este
de 1,16 cm3 (fig. 36).
Prototipul fabricat din ABS P400 este prezentat în figura 37.
40
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Figura 38 prezintă alte modele de obiecte fabricate prin procedeul FDM.
Fig. 38 Modele de obiecte fabricate prin procedeul FDM
41
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
6. Evaluarea comparativă a procedeelor FA
Identificarea procedeului FA optim pentru o anumită aplicaţie este dictată de
necesităţile şi de constrângerile particulare impuse obiectului de domeniul în care
acesta se utilizează, vizând cerinţe specifice legate de material, dimensiuni, precizie
dimensională şi de formă, calitate a suprafețelor, rezistență mecanică, culoare,
textură, cost etc. În plus, lucrurile se complică şi mai mult, având în vedere că nu
doar tipul procedeului influenţează caracteristicile finale ale obiectului fabricat, ci şi
setările parametrilor specifici de proces, orientarea de construire, post-procesarea,
chiar şi poziţia din spaţiul de lucru al maşinii în care se construieşte obiectul.
Practic, pentru a răspunde problemei menţionate, trebuie comparate
avantajele şi limitările fiecărui procedeu, fiind necesar să se poată măsura şi
cuantifica, în mod unitar, performanţele maşinilor de FA.
În ideea de a facilita alegerea procedeului optim pentru o anumită aplicaţie,
abordarea specialiştilor a constat mai întâi în sistematizarea informaţiilor disponibile
pe grupe de procedee, urmată de compararea performanţelor diferitelor
procedee/mașini, prin fabricarea și măsurarea pieselor test.
De-a lungul timpului, au fost concepute mai multe asemenea piese, care
reunesc entități geometrice (features) diverse, cu dimensiuni diferite (grupate, de
obicei, în categoriile: mici, medii și mari) și amplasate în diferite poziţii/unghiuri față
de orientarea de construire. Fiecare entitate geometrică sau serie de entități este
utilizată pentru evaluarea uneia sau a mai multor caracteristici (precizie geometrică,
contracție, rezistență mecanică, repetabilitate, calitate a suprafețelor, capacitate de
fabricare a pereților subțiri, a părților în consolă, a suprafețelor sferice sau cu forme
libere etc.). Pentru cei care doresc să aprofundeze aceste aspecte, se recomandă
studiile următoare: Kruth (1991), Childs (1994), Ippolitto (1995), Makesh (2004,
2006), Kim (2008).
Cu toate acestea, concluzii generale ale unor astfel de cercetări sunt greu de
tras, având în vedere că, diferențele dintre setările parametrilor de proces fac ca
piesele test să prezinte caracteristici diferite, chiar dacă au fost fabricate cu același
procedeu și pe aceeași mașină.
42
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
Următorul pas a fost dezvoltarea de instrumente software suport pentru
luarea deciziilor referitoare la alegerea procedeelor de FA în funcție de anumite
criterii.
Aceste aplicaţii software ajută la reducerea câmpului de selecţie, sunt bazate
pe date despre procedee, maşini şi materiale şi utilizează diferite metode şi criterii
de identificare a soluţiei optime. Spre exemplu, în 1996, Bauer a dezvoltat o aplicaţie
software denumită RP Selector (RP - Rapid Prototyping fiind unul dintre numele
alternative date procedeelor de FA), iar în 1997, Phillipson a creat RP Advisor, un
instrument software care permite selecţia unui procedeu în funcţie de calitatea
obiectelor fabricate, timp şi cost. Un alt exemplu din aceeaşi categorie este sistemul
expert IRIS (Intelligent RP System Selector) creat de Massod, în 2002, care dispune
de o bază de date cu 39 de sisteme de FA. IVF Suedia (2005) a dezvoltat un sistem
online de selectare bazat pe criterii legate de material/funcționalitate, cantitate și
cerințe ale clienților. Alte cercetări recente în domeniu se pot găsi şi la Ghazy (2012).
Mulţi utilizatori şi specialişti reproşează însă faptul că, aceste aplicaţii
software permit doar o selecţie grosieră, însă, considerăm că principala lor limitare
este aceea că, nu au fost bazate pe criterii standardizate de evaluare a
performanțelor procedeelor/mașinilor de FA și a calității, preciziei sau proprietăților
mecanice ale pieselor fabricate.
Aceste studii comparative ale procedeelor de FA s-au desfășurat în condițiile
întârzierii cu care s-a decis şi apoi realizat parţial (până în acest moment)
standardizarea în domeniul fabricației aditive. Până de curând, nici măcar nu se
stabilise numele „oficial” al acestor procedee de fabricaţie, utilizându-se diferiţi
termeni (ceea ce nu înseamnă că aceştia sunt incorecţi, evident): prototipare rapidă,
fabricaţie pe straturi, printare 3D, imprimare 3D, fabricaţie rapidă pe straturi,
fabricaţie strat cu strat etc. Se pare că, motivele întârzierii standardizării sunt legate
de interdisciplinaritatea acestor procedee, luându-se în discuţie inițial includerea lor
în alte standarde, de exemplu, în ISO/TC61 - Materiale Plastice sau ISO/TC119 -
Metalurgia pulberilor, procedeele de FA utilizând aceste materiale pentru construirea
obiectelor.
În anul 1998, NIST (National Institute of Standards and Technology) şi-a pus
pentru prima dată problema standardizării în FA (deci la 10 ani după apariția primei
mașini de stereolitografie). Însă, abia în 2008 a avut loc o întâlnire organizată de
SME (Society of Manufacturing Engineers) şi care a reunit reprezentanţii a peste 80
43
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
de firme, producători şi specialişti din mediul academic, organizaţia ASTM (American
Society for Testing and Materials) fiind mandatată cu elaborarea standardelor. Au
fost identificate patru domenii cheie pentru care s-au înființat comisii: terminologie,
metode de testare, materiale și procese, design.
Conform ASTM, aceste standarde permit „fabricanţilor să compare
performanţele diferitelor procedee de fabricaţie aditivă”, iar „utilizatorilor şi
dezvoltatorilor de proces să ofere rezultate repetabile”.
În paralel, organismele de standardizare europene au lucrat şi ele la
elaborarea de standarde în domeniul fabricaţiei aditive.
În anul 2011 s-a înfiinţat comitetul tehnic ISO TC 261 pentru Fabricaţie Aditivă
având sarcina de standardizare a proceselor, procedurilor de testare, terminologiei și
a parametrilor de calitate, iar la sfârşitul aceluiaşi an, ISO şi ASTM au încheiat o
înţelegere vizând elaborarea în comun a standardelor pentru FA.
Astfel, până în momentul de faţă au fost adoptate următoarele standarde:
- ISO/ASTM 52915:2013 (Standard specification for additive manufacturing
file format (AMF) Version 1.1) - conţinând specificaţii ale formatului de fişier standard
pentru FA. Formatul stl a fost standardul de facto pentru transferul de informaţii
dintre programele de proiectare şi echipamentul de FA, dar necesitatea de fabricare
a pieselor multi-material, în culori diferite etc., s-a lovit de limitările stl, impunându-se
înlocuirea acestuia.
- ISO/ASTM 52921:2013 (Standard terminology for additive manufacturing -
Coordinate systems and test methodologies) - conţine „termeni, definiţiile termenilor,
descrierile termenilor şi acronime asociate cu sistemele de coordonate, ca şi
metodologiile de testare a tehnologiilor de FA, într-un efort de a standardiza
terminologia folosită de utilizatori, producători, cercetători, profesori, presă/media
etc. Termenii includ şi definiţii pentru maşini/sisteme și sistemele lor de coordonate,
plus poziția și orientarea pieselor. Se intenționează, acolo unde este posibil, să se
asigure conformitatea cu ISO 841 și să se clarifice adaptarea acestor principii la
fabricația aditivă”.
Conform standardului ISO/ASTM 52921, fabricaţia aditivă este definită ca:
„procesul de adăugare de material pentru a obţine un obiect pe baza modelului său
digital 3D, de obicei strat cu strat, ca opus al tehnologiilor de fabricaţie prin eliminare
de material”. De asemenea, acest standard recunoaşte şi clasifică şapte tipuri
principale de procedee de fabricaţie aditivă.
44
Materiale compozite pentru aplicaţii în medicină şi inginerie, obţinute prin fabricaţie aditivă
BIBLIOGRAFIE1. www.prusa3d.cz
2. M. Radeş, Rezistenţa materialelor I, Ed. Printech, 2000
3. F. Baciu, A. Hadăr, Influența parametrilor de printare asupra comportamentului mecanic al materialelor printate 3D - Raport 2, 2018
1. J. Richter, P. Jacobs, Accuracy in Rapid Prototyping & Manufacturing, Society of Manufacturing Engineers, 1992, pp.287-315
2. M. Mahesh, Y. S. Wong, Y. H. Fuh, H. T. Loh, Benchmarking for comparative evaluation of RP systems and processes, Rapid Prototyping Journal, Vol. 10, Number 2, 2004, pp.123-135
4. N. P. Juster, T. H. C. Childs, Linear and geometric accuracies from layer manufac-turing, CIRP annals, Vol. 43, Number 1, 1994, pp.163- 166
5. R. Ippolito, L. Iuliano, A. Gatto, Benchmarking of Rapid Prototyping Techniques in Terms of Dimensional Accuracy and Surface Finish, Annals of the CIRP, 44, 1995, pp.157-160
6. J.P. Kruth ș.a., Benchmarking of different sls/slm processes as rapid manufacturing technique, Int. Conf. Polymers & Moulds Innovations (PMI), Gent, Belgia, 2005
7. https://www.zspotmedia.ro/
45